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在生物电子领域，可穿戴和可植入设备面临着在广泛 pH 环境下封装的难题。研究人员开展了基于液体封装（liquid - based encapsulation）技术用于生物电子设备的研究。结果显示该技术性能优异，在多 pH 环境下效果良好且生物相容性佳，为相关研究和临床应用带来新希望。
在生物医学研究和临床医学的广阔领域中，可穿戴和可植入生物电子设备正发挥着越来越重要的作用。它们能够与高度移动的器官和组织进行长时间的交互，为神经再生、疼痛管理、心脏组织的电生理映射与刺激，以及胃肠道监测与调节等提供关键支持。然而，这些设备的封装却成为了一个棘手的挑战。不同的生物组织和环境有着广泛的 pH 范围，从胃肠道系统的强酸性（低至 pH 1.5）到慢性伤口的碱性环境（高达 pH 8.9）。在这样多样的 pH 条件下，现有的封装材料往往难以胜任。许多常用的材料，如薄膜无机涂层、有机涂层和无机 / 有机杂化复合材料，通常只能在接近中性 pH 的环境中发挥作用。例如，用于胃肠道监测的可植入生物电子设备，传统的环氧树脂封装虽然能在一定程度上抵御酸性环境，但它的高机械模量和较厚的几何形状限制了其在柔软生物电子学中的应用。一些新兴的软质和柔性封装材料，在极端 pH 环境下也会出现各种问题，如液体金属封装会降低设备透明度，阻碍电信号传输，且在低 pH 条件下可能被腐蚀；而此前研究的受生物启发的油浸润滑表面，也仅关注中性 pH 条件下的阻隔性能，未涉及可植入生物电子设备的封装及体内评估。
为了解决这些问题，来自美国多所高校（包括康涅狄格大学、佛罗里达大学、威斯康星医学院等）的研究人员展开了深入研究。他们致力于开发一种新型的液体封装技术，以实现生物电子设备在极端 pH 环境下的稳定运行。研究成果发表在《Nature Communications》上，为可植入生物电子设备的发展带来了新的突破。
研究人员在这项研究中运用了多种关键技术方法。首先，通过模塑技术制备粗糙表面的聚二甲基硅氧烷（PDMS）弹性体，利用砂纸作为模板，控制弹性体表面的粗糙度。接着，将可植入生物电子设备置于两层粗糙弹性体薄膜之间，形成三明治结构，再用紫外线（UV）激光切割成所需形状。最后，在真空干燥器中向弹性体表面的粗糙结构中注入 Krytox 油，完成基于油浸润弹性体的可植入生物电子设备封装。在性能测试方面，使用扫描电子显微镜（SEM）观察材料表面结构和厚度，运用 UV - VIS - NIR 分光光度计测量光学透射率，借助机械测试仪测定材料的拉伸力学性能。同时，通过将封装后的设备浸泡在不同 pH 值的溶液中，使用矢量网络分析仪监测其回波损耗等参数，评估封装材料在不同环境下的性能。
液体封装的制备与表征
研究人员详细描述了基于液体封装的生物电子设备的制备过程。先制备厚度为 100μm 的粗糙 PDMS 弹性体，其表面算术平均高度（Sa）为 4.7μm，最大峰高度（Sp）为 18.3μm。将可植入生物电子设备夹在两层粗糙弹性体薄膜之间，形成三明治结构，经固化、切割后，向弹性体表面注入厚度为 15μm 的 Krytox 油，完成封装。通过 SEM 图像可以清晰看到粗糙弹性体表面和横截面结构。选择无线近场通信（NFC）天线和无线光电子设备进行封装演示，是因为该封装层需具备优异的光学透明性和无缝的无线通信能力。在光学性能方面，油浸润弹性体在可见波长范围（380 - 700nm）的平均光学透射率为 86.67%，与其他材料相比，展现出良好的光学透明性。在机械性能上，油浸润弹性体和弹性体的杨氏模量在几 MPa 范围内，能够很好地与软组织和器官相匹配，且能承受高达约 100% 的大失效应变，而聚对二甲苯 C（Parylene C）和聚酰亚胺（PI）的失效应变小于 5%，杨氏模量在几 GPa 范围，远大于生物系统。
高酸性环境下的液体封装
在高酸性环境下，研究人员对封装结构进行了优化。由于油浸润弹性体封装的侧边可能因缺乏粗糙结构而导致密封失效，他们通过优化激光切割参数来改善这一问题，最终确定使用频率为 30kHz、速度为 100mm/s 的激光切割工艺。以 NFC 天线设备为研究对象，将其封装后浸泡在 pH 1.5 或 4.5 的 1X 磷酸盐缓冲溶液（PBS）中进行测试。结果显示，油浸润弹性体封装的 NFC 天线在 pH 1.5 的溶液中浸泡 725 天后，红色发光二极管（LED）仍能正常工作，回波损耗在峰值频率处仅下降 0.87dB，归一化回波损耗和归一化接收功率在 725 天后分别保持在 0.80 和 0.87 左右。相比之下，仅用 100μm 厚弹性体封装的设备在浸泡 1.5 天内，五分之三的设备完全失效；用 Parylene C（15μm）封装的设备在浸泡后，NFC 天线的谐振频率立即向左移动，回波损耗峰值随时间下降，浸泡 2 天后归一化接收功率平均降至 0.8。在 pH 4.5 的溶液中，油浸润弹性体封装的 NFC 天线同样表现出色，浸泡 696 天后回波损耗在峰值频率处仅下降 0.91dB，归一化回波损耗和归一化接收功率分别为 0.82 和 0.89，而 Parylene C 和弹性体封装的设备性能则明显下降。
中性 pH 环境下无线光电子设备的液体封装
在中性 pH 环境（pH 7.4）下，研究人员对无线光电子设备进行了封装性能评估。该设备包含 NFC 天线、用于无线通信和能量收集的电子元件、蓝色微型无机发光二极管（μ - ILED）和红色指示 LED。将油浸润弹性体封装的无线光电子设备浸泡在 pH 7.4 的 PBS 溶液中，持续搅拌以模拟实际环境中的流体剪切力。经过 845 天的浸泡，设备的回波损耗曲线相对稳定，在工作频率 13.56MHz 附近仅下降 1.24dB，归一化回波损耗和归一化接收功率在长时间内保持较高水平，且共振频率稳定。在光强度方面，部分设备在 845 天内光强度仅下降 9.48%，其他设备在 695 天内下降 9.87% 和 11.42%。与之对比，仅用弹性体封装的设备在 3 天内平均归一化回波损耗和归一化接收功率就降至 0.8 以下，且样本间性能波动较大。此外，对无线光电子设备的蛇形连接器进行 10,000 次扭转 180°、拉伸 5% 和弯曲 6mm 的机械耐久性测试后，光强度变化小于 15%，证明了该封装在中性 pH 环境下具有良好的机械稳定性。
生物相关碱性条件下的液体封装
针对慢性伤口等生物相关碱性环境（pH 9.0），研究人员对 NFC 设备进行了封装性能测试。将油浸润弹性体、裸弹性体和 Parylene C 封装的 NFC 设备浸泡在 pH 9.0 的 PBS 溶液中，发现油浸润弹性体封装的 NFC 设备在 2 个月内运行相对稳定，而归一化回波损耗和归一化接收功率在浸泡后立即下降。这表明油浸润弹性体在碱性条件下具有强大的阻隔性能，而裸弹性体封装的设备性能持续下降，Parylene C 封装的样本不仅回波损耗下降，还出现峰值偏移。
与氟橡胶的对比
氟橡胶具有出色的耐化学性，常被用作评估极端 pH 环境下封装性能的基准材料。研究人员制备了氟橡胶（厚度 100μm）封装的 NFC 设备，并在不同 pH 环境下进行浸泡测试。结果显示，尽管氟橡胶耐化学性良好，但在 12 天内，不同 pH 水平下封装的 NFC 设备归一化回波损耗和归一化接收功率均大幅下降。这可能是由于氟橡胶在制备过程中存在双面薄膜封装困难、光学不透明、快速固化和固化收缩等问题，限制了其在可植入生物电子设备中的应用，进一步凸显了液体封装方法的优势。
液体封装的机械稳定性
高度移动的器官需要封装材料在提供优异防水性能的同时，能在多次拉伸循环后仍保持性能稳定。研究人员通过对油浸润弹性体进行反复拉伸测试来评估其机械稳定性。先对油浸润弹性体施加 20% 的应变并释放，循环 10,000 次后进行浸泡测试，发现在不同 pH 值（1.5、4.5、7.4 和 9.0）的 PBS 溶液中浸泡一个月，归一化回波损耗变化小于 16%，归一化接收功率变化小于 5%，证明了油层的稳定性和液体封装方法的机械稳健性。进一步使用定制拉伸器对液体封装施加 70% 的应变，测试 NFC 设备在不同 pH 值溶液中的性能，结果显示在一个月的测试期内，归一化回波损耗变化≤10%，归一化接收功率变化小于 5%，表明油浸润弹性体在高应变下仍能有效防止水和离子渗透，适用于高应变水平的生物组织和器官。
体内研究
为了评估油浸润弹性体的生物相容性，研究人员在野生型小鼠体内进行了慢性植入研究。将弹性体或油浸润弹性体小块植入小鼠肩胛区的背部皮下，在植入后 48 小时、2 周和 4 周，取弹性体方块及周围皮下组织进行组织学评估。通过检测泛白细胞标记物 CD45 在相邻皮肤中的荧光面积百分比，发现弹性体和油浸润弹性体组的免疫细胞反应无显著差异，且两者的 CD45 阳性细胞均少于阳性对照（完全弗氏佐剂（CFA）处理的 PDMS 弹性体）。此外，将油浸润弹性体封装的无线光电子设备植入小鼠下腹部皮下，通过观察无线供电的红色指示 LED 是否亮起监测设备功能，所有植入的设备（n = 3）在 3 个月的测试期内均能正常工作。这表明油浸润弹性体在体内环境中具有良好的生物相容性和长期稳定性。
研究人员开发的基于油浸润弹性体的液体封装技术，在跨越广泛 pH 环境的可植入生物电子设备封装方面取得了显著成果。该技术具有出色的机械拉伸性、光学透明性、生物相容性、耐久性和防水性能。无论是在模拟胃肠道系统的强酸性环境（pH 1.5 和 4.5），还是在慢性伤口的碱性环境（pH 9.0），以及中性 pH 环境中，都能为可植入生物电子设备提供可靠的保护。同时，该封装技术在多次拉伸循环和高应变条件下仍能保持良好的性能，体内研究也证实了其生物相容性和长期稳定性。这一研究成果为从基础生物医学研究到临床医学的可植入生物电子设备应用奠定了坚实的基础，有望推动相关领域的进一步发展，为未来生物电子设备的设计和应用开辟新的方向。
